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6.2流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

知識(shí)點(diǎn)一:流場(chǎng)的基本概念

一、跡線(xiàn)

某一質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡線(xiàn)。

圖中煙火的軌跡為跡線(xiàn)。 

二、流線(xiàn)

1、流線(xiàn)的定義

表示某一瞬時(shí)流體各點(diǎn)流動(dòng)趨勢(shì)的曲線(xiàn)，曲線(xiàn)上任一點(diǎn)的切線(xiàn)方向與該點(diǎn)的流速方向重合。

如圖為流線(xiàn)譜中顯示的流線(xiàn)形狀。  

2、流線(xiàn)的作法

在流場(chǎng)中任取一點(diǎn)，繪出某時(shí)刻通過(guò)該點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)的流速矢量u₁，再畫(huà)出距1點(diǎn)很近的2點(diǎn)在同一時(shí)刻通過(guò)該處的流體質(zhì)點(diǎn)的流速矢量u₂…，如此繼續(xù)下去，得一折線(xiàn)1234 …，若各點(diǎn)無(wú)限接近，其極限就是某時(shí)刻的流線(xiàn)。

3、流線(xiàn)的性質(zhì)

a.同一時(shí)刻的不同流線(xiàn)，不能相交。

因?yàn)楦鶕?jù)流線(xiàn)定義，在交點(diǎn)的液體質(zhì)點(diǎn)的流速向量應(yīng)同時(shí)與這兩條流線(xiàn)相切，即一個(gè)質(zhì)點(diǎn)不可能同時(shí)有兩個(gè)速度向量。

b.流線(xiàn)不能是折線(xiàn)，而是一條光滑的曲線(xiàn)。

因?yàn)榱黧w是連續(xù)介質(zhì)，各運(yùn)動(dòng)要素是空間的連續(xù)函數(shù)。

c.流線(xiàn)簇的疏密反映了速度的大小（流線(xiàn)密集的地方流速大，稀疏的地方流速?。?/span>

因?yàn)閷?duì)不可壓縮流體，元流的流速與其過(guò)水?dāng)嗝婷娣e成反比。

4、流線(xiàn)的方程

在流線(xiàn)上某點(diǎn)取微元長(zhǎng)度dl（不代表位移），dl在各坐標(biāo)軸上的投影分別為dx、dy、dz，則：      

或          流線(xiàn)的微分方程

跡線(xiàn)與流線(xiàn)的比較：

概念	定          義	備           注
流 線(xiàn)	流線(xiàn)是表示流體流動(dòng)趨勢(shì)的一條曲線(xiàn)，在同一瞬時(shí)線(xiàn)上各質(zhì)點(diǎn)的速度向量都與其相切，它描述了流場(chǎng)中不同質(zhì)點(diǎn)在同一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)情況。	流線(xiàn)方程為：     時(shí)間t為參變量。
跡 線(xiàn)	跡線(xiàn)是指某一質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，它描述流場(chǎng)中同一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)情況。	跡線(xiàn)方程為： 式中時(shí)間t為自變量。

三、恒定流和非恒定流

1、恒定流

流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)要素只是坐標(biāo)的函數(shù)，與時(shí)間無(wú)關(guān)。――恒定流動(dòng)

過(guò)流場(chǎng)中某固定點(diǎn)所作的流線(xiàn)，不隨時(shí)間而改變——流線(xiàn)與跡線(xiàn)重合

2、非恒定流

流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)要素，既是坐標(biāo)的函數(shù)，又是時(shí)間的函數(shù)。――非恒定流動(dòng)

質(zhì)點(diǎn)的速度、壓強(qiáng)、加速度中至少有一個(gè)隨時(shí)間而變化。

跡線(xiàn)與流線(xiàn)不一定重合

注意：

在定常流動(dòng)情況下，流線(xiàn)的位置不隨時(shí)間而變，且與跡線(xiàn)重合。

在非定常流動(dòng)情況下，流線(xiàn)的位置隨時(shí)間而變；流線(xiàn)與跡線(xiàn)不重合。

四、流管、流束、總流

流管：在流場(chǎng)中取任一封閉曲線(xiàn)（不是流線(xiàn)），通過(guò)該封閉曲線(xiàn)的每一點(diǎn)作流線(xiàn)，這些流線(xiàn)所組成的管狀空間。

管內(nèi)外的流體質(zhì)點(diǎn)不能交流。

流束：流管中的流體。

微元流束：流管的橫截面積為微元面積時(shí)的流束。

總流：由無(wú)限多微元流束所組成的總的流束。

五、過(guò)水（流）斷面

與某一流束中各條流線(xiàn)相垂直的截面，稱(chēng)為此流束的過(guò)水?dāng)嗝妗?/span>

即水道（管道、明渠等）中垂直于水流流動(dòng)方向的橫斷面，如圖1-1，2-2斷面。

六、流速

  （1）點(diǎn)速u：某一空間位置處的流體質(zhì)點(diǎn)的速度。

  （2）均速v：同一過(guò)水?dāng)嗝嫔?，各點(diǎn)流速u對(duì)斷面a的算術(shù)平均值。

   微元流束的過(guò)水?dāng)嗝嫔?，可以中心處的流速作為各點(diǎn)速度的平均值。

七、流量  q

   單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某流束過(guò)水?dāng)嗝娴牧黧w體積。   米³/秒，升/秒

   微元流束      dq=uda

   總流          q=∫_qdq＝∫_auda

               

知識(shí)點(diǎn)二：連續(xù)性方程

1、微元流束的連續(xù)性方程

微元流束上兩個(gè)過(guò)水?dāng)嗝?span lang=en-us>da₁、da₂，相應(yīng)的速度分別為u₁、u₂，密度分別為ρ₁、ρ₂；dt時(shí)間內(nèi)，經(jīng)da₁流入的質(zhì)量為dm₁＝ρ₁u₁da₁dt，經(jīng)da₂流出的質(zhì)量為dm₂＝ρ₂u₂da₂dt，

對(duì)定常流動(dòng)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律：      

ρ₁u₁da₁dt＝ρ₂u₂da₂dt   →  ρ₁u₁da₁＝ρ₂u₂da₂

   對(duì)不可壓縮流體ρ₁＝ρ₂ ，       u₁da₁＝u₂da₂   

得： dq₁=dq₂       

不可壓縮流體定常流動(dòng)微元流束的連續(xù)性方程

   意義：在同一時(shí)間內(nèi)通過(guò)微元流束上任一過(guò)水?dāng)嗝娴牧髁肯嗟取?/span>

         ——流束段內(nèi)的流體體積（質(zhì)量）保持不變。

2、總流連續(xù)性方程

將ρ₁u₁da₁＝ρ₂u₂da₂進(jìn)行積分：   ∫_a1ρ₁u₁da₁＝∫_a2ρ₂u₂da₂

根據(jù) ，   得：ρ_1mv₁a₁＝ρ_2mv₂a₂      

ρ_1m、ρ_2m——斷面1、2上流體的平均密度。

ρ_1mq₁＝ρ_2mq₂             總流連續(xù)性方程

對(duì)不可壓縮流體       q₁=q₂          或  

物理意義：對(duì)于保證連續(xù)流動(dòng)的不可壓縮流體，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e與斷面平均流速成反比，即流線(xiàn)密集的地方流速大 ，而流線(xiàn)疏展的地方流速小。

問(wèn)題：

1、一變直徑管段，a斷面直徑是b斷面直徑的2倍，則b斷面的流速是a斷面流速的4倍。      對(duì)

2、變直徑管的直徑d₁=320mm，d₂=160mm，流速υ₁=1.5m/s，υ₂為：

a.3m/s；  b.4m/s； c.6m/s；   d.9m/s。   c.

知識(shí)點(diǎn)三：恒定總流能量方程

一、不可壓縮無(wú)粘性流體伯努利方程

      

意義：無(wú)粘性流體沿流線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其有關(guān)值的總和是沿流向不變的。

二、不可壓縮有粘性流體伯努利方程

         

意義：粘性流體沿流線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其有關(guān)值的總和是沿流向逐漸減少的。

各項(xiàng)的能量意義與幾何意義：

	能量意義	幾何意義
z	比位能—單位重量流體流經(jīng)給定點(diǎn)時(shí)的位能	位置水頭（位頭）—流體質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)給定點(diǎn)時(shí)所具有的位置高度
p/γ	比壓能—單位重量流體流經(jīng)給定點(diǎn)時(shí)的壓能	壓強(qiáng)水頭（壓頭）—流體質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)給定點(diǎn)時(shí)的壓強(qiáng)高度
u2/2g	比動(dòng)能—單位重量流體流經(jīng)給定點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能	速度水頭（速度頭）—流體質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)給定點(diǎn)時(shí)，因具有速度u，可向上自由噴射而能夠到達(dá)的高度
h'l	能量損失—單位重量流體流動(dòng)過(guò)程中損耗的機(jī)械能	損失水頭

三、伯努利方程的能量意義：

（1）對(duì)無(wú)粘性流體   ，總比能  e₁=e₂

 單位重量無(wú)粘性流體沿流線(xiàn)（或微元流束）從位置1到位置2時(shí)：各項(xiàng)能量可互相轉(zhuǎn)化，總和保持不變。

（2）對(duì)粘性流體  ,總比能 e₁=e₂+△e

單位重量粘性流體沿流線(xiàn)（或微元流束）從位置1到位置2時(shí)：各項(xiàng)能量可互相轉(zhuǎn)化，總機(jī)械能也有損失。

伯努利方程的幾何意義：

單位重量無(wú)粘性流體沿流線(xiàn)（或微元流束）從位置1到位置2時(shí)：各項(xiàng)水頭可互相轉(zhuǎn)化，總和保持不變。    總水頭 h₁=h₂

單位重量粘性流體沿流線(xiàn)（或微元流束）從位置1到位置2時(shí)：各項(xiàng)水頭不但可以互相轉(zhuǎn)化，其總和也必然沿流向降低。 總水頭  h₁=h₂+△h

伯努利方程的圖解—水頭線(xiàn)

水頭線(xiàn)：沿程水頭的變化曲線(xiàn)

總水頭線(xiàn)：總水頭h頂點(diǎn)的連線(xiàn)。 對(duì)應(yīng)的變化曲線(xiàn)。

測(cè)壓管水頭線(xiàn)（靜壓水頭線(xiàn)）：壓強(qiáng)水頭頂點(diǎn)的連線(xiàn)。對(duì)應(yīng)的變化曲線(xiàn)。

對(duì)無(wú)粘性流體：h＝常數(shù)，總水頭線(xiàn)為水平線(xiàn)。

測(cè)壓管水頭線(xiàn)為隨過(guò)水?dāng)嗝娓淖兌鸱那€(xiàn)。

對(duì)粘性流體：h≠常數(shù)，h₁=h₂+h^'_l，總水頭線(xiàn)為沿流向向下傾斜的曲線(xiàn)。

測(cè)壓管水頭線(xiàn)為隨過(guò)水?dāng)嗝娓淖兌鸱那€(xiàn)。

注意：1.無(wú)粘性流體流動(dòng)的總水頭線(xiàn)為水平線(xiàn)； 

2.粘性流體流動(dòng)的總水頭線(xiàn)恒為下降曲線(xiàn)；

3.測(cè)壓管水頭線(xiàn)可升、可降、可水平。

4.總水頭線(xiàn)和測(cè)壓管水頭線(xiàn)之間的距離為相應(yīng)段的速度水頭。流體沿水頭的變化情況:——水力坡度

四、總流伯努利方程應(yīng)用條件：

（1）定常流動(dòng)；

（2）不可壓縮流體；

（3）質(zhì)量力只有重力；

（4）所選取的兩過(guò)水?dāng)嗝姹仨毷蔷徸兞鲾嗝?，但兩過(guò)水?dāng)嗝骈g可以是急變流。

（5）總流的流量沿程不變。

（6）兩過(guò)水?dāng)嗝骈g除了水頭損失以外，總流沒(méi)有能量的輸入或輸出。

（7）式中各項(xiàng)均為單位重量流體的平均能（比能）。

五、列伯努利方程解題： 

注意與連續(xù)性方程的聯(lián)合使用。

例1某工廠自高位水池引出一條供水管路ab如圖3-31所示。已知：流量q＝0.034米³/秒；管徑d＝15厘米；壓力表讀數(shù)p_b＝4.9牛/厘米²；高度h＝20米。問(wèn)水流在管路ab中損失了若干水頭？

解：選取水平基準(zhǔn)面o－o，過(guò)水?dāng)嗝?span lang=en-us>1－1、2－2。設(shè)單位重量的水自斷面1－1沿管路ab流到b 點(diǎn)，則可列出伯努利方程：

因?yàn)椋?/span>z₁＝h＝20米，z₂＝0，，

v₂＝q/a＝1.92米/秒

取α₁＝α₂＝1，v₁＝0

則：20 + 0 + 0 ＝ 0 + 5 + 1.92²/19.6 + h_l

故 h_l＝14.812（米）

例2：水深1.5m、水平截面積為3m×3m的水箱，箱底接一直徑為200mm，長(zhǎng)為2m的豎直管，在水箱進(jìn)水量等于出水量情況下作恒定出流，略去水頭損失，試求點(diǎn)2的壓強(qiáng)。

解： 根據(jù)題意和圖示，水流為恒定流；水箱表面，管子出口，管中點(diǎn)2所在斷面，都是緩變流斷面；符合總流伯努利方程應(yīng)用條件。水流不可壓縮，只受重力作用。  

基準(zhǔn)面o-o取在管子出口斷面3-3上，取α₂＝α₃＝1，寫(xiě)斷面2-2和3-3的總流伯努利方程：

     

采用相對(duì)壓強(qiáng)，則p₃＝0，同時(shí)v₂=v₃，

所以     p₂＝-9800 pa

其真空值為9800 pa 。  上式說(shuō)明點(diǎn)2壓強(qiáng)小于大氣壓強(qiáng)，其真空度為1m水柱，或絕對(duì)壓強(qiáng)相當(dāng)于10-1=9m 水柱。

知識(shí)點(diǎn)四：恒定總流的動(dòng)量方程及其應(yīng)用

    一、動(dòng)量方程

動(dòng)量定理：質(zhì)量系的動(dòng)量()對(duì)時(shí)間(t)的變化率，等于作用于該質(zhì)點(diǎn)系的所有外力之矢量和，即：，如果以表示動(dòng)量，則： 或

應(yīng)用于不可壓縮流體的定常流動(dòng)中，對(duì)于過(guò)水?dāng)嗝?span lang=en-us>1－1、2－2間的流體，可得：

， 式中：α₀₁、α₀₂—?jiǎng)恿啃Ｕ禂?shù)，一般取1。

   不可壓縮流體的定常流動(dòng)總流的動(dòng)量方程

為作用于流體上所有外力（流束段1－2的重量、兩過(guò)水?dāng)嗝嫔蠅毫Φ暮鲜噶?span lang=en-us>、其它邊界上受到的表面壓力）的合力。

即：  

將各量投影到直角坐標(biāo)軸上，得：

適用范圍： 

（1）粘性流體、非粘性流體的不可壓縮定常流動(dòng)。             

（2）選擇的兩個(gè)過(guò)水?dāng)嗝鎽?yīng)是緩變流過(guò)水?dāng)嗝?，而過(guò)程可以不是緩變流。

（3）質(zhì)量力只有重力             

（4）沿程流量不發(fā)生變化；

二、動(dòng)量方程的應(yīng)用

例題：如圖所示，一個(gè)水平放置的水管在某處出現(xiàn)θ＝30^o的轉(zhuǎn)彎，管徑也從d₁＝0.3m漸變?yōu)?span lang=en-us>d₂＝0.2m，當(dāng)流量為q＝0.1m³/s時(shí)，測(cè)得大口徑管段中心的表壓為2.94×10⁴pa，試求為了固定彎管所需的外力。

【解】根據(jù)題意，圖示的截面1－1的表壓p₁’＝p₁－p_a＝2.94×10⁴pa，截面2－2的表壓p₂’可根據(jù)伯努利方程求出。而固定彎管所需的外力，則可以利用總流的動(dòng)量方程求出。

取如圖所示的分離體，截面1－1和2－2的平均流速分別為

v₁=q/a₁=1.4147  m/s     v₂=q/a₂=3.1831  m/s

彎管水平放置，兩截面中心高程相同，故

即 

總流的動(dòng)量方程是              

由于彎管水平放置，因此我們只求水平面上的力。對(duì)于圖示的分離體，x、y方向的動(dòng)量方程是

     

    

代入數(shù)據(jù)，得： f_x＝1254 n ，  f_y＝557  n

   

α＝arc tgf_y/f_x=24^○

水流對(duì)彎管的作用力為1372牛，即固定彎管需1372牛的外力。